Vantagem quântica está longe de ser realidade para problemas práticos

Com informações da Physics World - 22/02/2023

Líquido de spin: Estrutura de rede do tricloreto de α-rutênio e codificações da sua topologia nos qubits.
[Imagem: Tazhigulov et al. - 10.1103/PRXQuantum.3.040318]

Aferindo a supremacia quântica

Com vários computadores quânticos agora disponíveis aos pesquisadores pela internet, eles estão começando a aplicá-los para tentar resolver problemas práticos - ainda que simples.

Infelizmente, os resultados ainda estão aquém do esperado, sobretudo em vista das expectativas geradas pelas alegações de supremacia quântica - quando a computação quântica supera a capacidade dos supercomputadores clássicos - feitas nos anos recentes por várias empresas, incluindo o Google, em 2019, e uma equipe chinesa usando dois processadores quânticos diferentes no ano seguinte.

Ruslan Tazhigulov e colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia usaram o processador quântico Weber do Google, de 53 qubits, para simular duas reações químicas de interesse prático.

A primeira simulação centrou-se em um aglomerado de oito átomos dentro da enzima nitrogenase, um componente importante em um processo químico chamado fixação de nitrogênio - um melhor entendimento desse processo pode revolucionar a fabricação de fertilizantes. A segunda simulação focou no tricloreto de α-rutênio, um material que pode existir em uma fase quântica exótica conhecida como "líquido de spin" - esses materiais ainda não são bem compreendidos, mas já se sabe que podem ter aplicações em armazenamento de dados, computação quântica topológica e até supercondutividade de alta temperatura.

Simulação de química quântica

O trabalho envolve basicamente usar o processador quântico para monitorar as propriedades das moléculas, como seus estados de energia eletrônica ou excitações de baixa energia.

Para isso, os spins dos elétrons dos átomos são mapeados nos qubits do computador quântico. As interações entre os elétrons nos sistemas químicos originais podem então ser capturadas aplicando "portas lógicas" quânticas em uma determinada ordem aos qubits. Por fim, os pesquisadores extraem informações sobre o sistema medindo os qubits e analisando os resultados da medição.

Quanto mais portas lógicas precisam ser aplicadas para capturar o comportamento dos spins do elétron, mais ruído e erros se acumulam durante a computação, levando a resultados menos confiáveis.

E Tazhigulov e seus colegas constataram que esse é um problema maior do que o esperado: À medida que os cálculos cresciam e exigiam mais portas, o ruído no sistema rapidamente sobrepujava as informações úteis que se desejava extrair.

Por exemplo, embora as simulações de uma rede cristalina de tricloreto de α-rutênio contendo seis átomos fornecessem vários resultados significativos, nada se aproveitava quando o tamanho do problema aumentava para 10 átomos ou mais. Da mesma forma, espectros de energia para um aglomerado de 8 átomos encontrado na nitrogenase foram previstos razoavelmente bem, mas somente após a aplicação de uma miríade de técnicas de pós-processamento nos dados de medição.

Fixador de nitrogênio: Estrutura molecular de aglomerados de ferro e sulfato encontrados dentro da enzima nitrogenase (esquerda) e suas codificações em qubits (direita), onde as linhas indicam a conectividade e "A" é um qubit auxiliar na computação.
[Imagem: Tazhigulov et al. - 10.1103/PRXQuantum.3.040318]

Um longo caminho a percorrer

A conclusão da equipe é taxativa: A vantagem quântica ainda não é uma realidade para simulações químicas baseadas no mundo real. Além disso, deve-se levar em conta que os experimentos trataram apenas de modelos simplificados dos dois sistemas, onde os computadores clássicos ainda são capazes de fornecer estimativas exatas.

Outra conclusão importante é que talvez a arquitetura do processador quântico não seja um limitador tão grande quanto se esperava, já que a equipe deliberadamente evitou escolher problemas que atendiam à arquitetura do Weber. Mas também é possível tirar vantagem da arquitetura: Quando a equipe modificou seus parâmetros de simulação para melhor atender as características do processador quântico, os recursos computacionais necessários para rodar cada simulação caíram pela metade e, portanto, geraram resultados mais significativos.

"Esses modelos excessivamente simplificados de sistemas e materiais químicos realistas que escolhemos simular em nosso trabalho podem ser simulados trivialmente em um computador clássico ou até mesmo em um laptop pessoal," disse Tazhigulov. "Depois de aplicar várias técnicas de mitigação de erros, demonstramos que ainda há um longo caminho a percorrer para que os dispositivos quânticos se tornem ferramentas práticas na resolução de problemas complexos de química quântica."

• Desmentida supremacia do computador quântico do Google

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